路面质量检测方法、装置及系统与流程

本发明是有关于一种路面质量检测方法、装置及系统。

背景技术：

目前城市道路维护，多采用人力巡查或是等待民众通报，然而此些维护方式不但管理不易，且费用高昂。目前有提出利用车上的传感器将来自路面的反馈回传至云端服务器，再利用大数据运算分析路面质量的方法。然而，此种方法需要在大量的车上装设特定传感器以及发送装置以取得大数据运算所需的试验数据，且数据的获得取决于车辆的行驶路线，并不利于后端管理者(例如政府道路养护单位)有系统地规划欲检测维护路面质量的路段。

技术实现要素：

本发明是关于一种路面质量检测方法、装置及系统，可根据安装于路边固定装置(如路灯、分隔柱、护栏等设施)的震动传感器所选取的震动传感波形数据，判断路面是否发生破损并识别路面破损情况，并将路面破损情况通知后端管理平台，以作为道路破损报修和维护的参考数据，藉此降低路面质量检测所需的成本。

根据本发明一方面，提出一种可由包括处理电路的电子装置实现的路面质量检测方法，包括：通过处理电路，自M个震动传感器选取M笔震动传感波形数据，M笔震动传感波形数据分别对应至M个路边固定装置的位置，其中M系大于1的正整数；通过处理电路，自各M笔震动传感波形数据识别连续性波形特征；通过处理电路，根据M笔震动传感波形数据的连续性波形特征以及M个路边固定装置位置，识别路面破损状况；通过处理电路，发送用以指示路面破损状况的通知信息。

根据本发明一方面，提出一种路面质量检测装置。路面质量检测装置包括存储器以及处理电路。处理电路耦接存储器，并经配置而用以：自M个震动传感器选取M笔震动传感波形数据，M笔震动传感波形数据分别对应至M个路边固定装置的位置，其中M系大于1的正整数；自各M笔震动传感波形数据识别连续性波形特征；根据M笔震动传感波形数据的连续性波形特征以及M个路边固定装置位置，识别路面破损状况；发送用以指示路面破损状况的通知信息。

根据本发明一方面，提出一种路面质量检测系统。路面质量检测系统包括M个震动传感器以及路面质量检测装置。M个震动传感器适合分别装设于M个路边固定装置，以取得反映路面震动事件的M笔震动传感波形数据，其中M为大于1的正整数。路面质量检测装置通信连接M个震动传感器。路面质量检测装置包括存储器以及处理电路。处理电路耦接存储器，并经配置而用以：自M个震动传感器选取M笔震动传感波形数据；自各M笔震动传感波形数据识别连续性波形特征；根据M笔震动传感波形数据的连续性波形特征以及M个路边固定装置位置，识别路面破损状况；发送用以指示路面破损状况的通知信息。

附图说明

图1示出根据本发明一实施例的路面质量检测系统的方块图。

图2示出依照本发明第一实施例的路面质量检测方法的流程图。

图3示出实施于一路段的多个路边固定装置的路面质量检测系统的示意图。

图4示出来自不同震动传感器的多笔震动波形传感数据的波形图。

图5示出依照本发明一实施例自多笔震动波形传感数据判断异常突波的判断流程图。

图6A至图6D示出根据图5的判断流程识别异常突波的示意图。

图7示出实施于多路段的多个路边固定装置的路面质量检测系统的示意图。

图8示出震动传感器的一例方块图。

图9示出与智能路灯控制器整合的路面质量检测装置的一例方块图。

其中，附图标记

10：路面质量检测系统

102_1～102_M、102_1’～102_N’、800：震动传感器

100、100’、900：路面质量检测装置

S1～SM、Si～Si+3、S1’～SN’：震动传感波形数据

104：存储器

106：处理电路

IM、IM’：通知信息

12：后端管理平台

202、204、206、208、502、504、506、508：步骤

34_1～34_M：路灯装置

P1～PM：路灯装置位置

Px：路面破损位置

30：车辆

32、72：破损处

NF：连续性波形特征

AF：异常波形特征

t1～tM：突波最大值的发生时间

tx：异常波形特征的发生时间

tx±δ：异常波形特征的延续时间

AVG：震动传感波形数据的平均值

Max：容忍区间上限

Min：容忍区间下线

802：无线传输模块

804：传感模块

806：电源供应模块

902：第一硬件元件集合

904：第二硬件元件集合

906：存储器

908：第一无线传输模块

910：第一处理模块

912：第二无线传输模块

914：第二处理模块

916：电源供应模块

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

本发明提出一种路面质量检测方法、装置及系统。路面质量检测泛指检测道路平面上不平整的位置、破损面积、破损深度等任何关于路面质量的信息。藉由在路边固定装置(如路灯、分隔柱、护栏等设施)上装设的震动传感器以选取可反映路面震动事件(例如车辆驶过所引起的路面震动)的M笔震动传感波形数据，本发明提出的路面质量检测方法、装置及系统可根据此些震动传感波形数据判断路面是否发生破损并识别路面破损情况，并将路面破损情况通知后端管理平台，以作为道路破损报修和维护的参考数据，藉此降低路面质量检测所需的成本。

本发明的路面质量检测方法可由包括处理电路的电子装置来实现。所述的电子装置可被实施为本发明的路面质量检测装置，或是被实施为包含于本发明的路面质量检测装置。路面质量检测装置连同负责选取震动传感波形数据的多个震动传感器系包含于本发明的路面质量检测系统。

图1示出根据本发明一实施例的路面质量检测系统10的方块图。路面质量检测系统10包括M个震动传感器102_1～102_M以及路面质量检测装置100，其中M为大于1的正整数。

震动传感器102_1～102_M可以被实施为包含加速度传感元件(如三轴或三轴以上的加速度传感计)、速度传感元件、位移传感元件或其组合的传感器。震动传感器102_1～102_M适合分别装设于M个路边固定装置，以取得可反映路面震动事件的M笔震动传感波形数据S1～SM。

路面震动事件例如包括车辆或其他移动载具行驶过路面所造成的路面震动。路边固定装置例如是路灯、分隔柱、护栏、交通信号灯或其它以等距/不等距间隔方式设置于路边的固定式设施。

震动传感器102_1～102_M可较佳地，但不限于，设置于一路段旁的多个路边固定装置的底部接近地表面，以取得较能精确反映路面震动事件的震动传感波形数据S1～SM。举例来说，震动传感器102_1～102_M可分别设置在M个路灯装置的底座上。

路面质量检测装置100通信连接M个震动传感器102_1～102_M。通信连接泛指任何可通过有线及/或无线方式进行信号传输的连结方式。举例来说，路面质量检测装置100与M个震动传感器之间可通过短距离无线通信协定，如蓝牙、ZigBee等方式进行信号传输。

路面质量检测装置100包括存储器104以及处理电路106。存储器104用以储存可供处理电路106执行或取得的指令、程序及/或数据。处理电路106耦接存储器104，并经配置而用以执行本发明实施例的路面质量检测方法。

处理电路106可被实施为微控制单元(microcontroller)、微处理器(microprocessor)、数字信号处理器(digital signal processor)、专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)、数字逻辑电路、现场可编程逻辑门阵列(field programmable gate array，FPGA)、或其它具有运算处理功能的硬件元件。处理电路106当中更可包括有线或无线传输模块，以和震动传感器102_1～102_M以及其他外部设备进行通信。

处理电路106可自震动传感器102_1～102_M接收多笔震动传感波形数据S1～SM，并根据该些震动传感波形数据S1～SM判断是否路面破损。当判断有路面破损的情况，处理电路106将传送通知信息IM给后端管理平台12，以回报路面破损情况。在一实施例中，路面破损状况可包括路面破损位置、路面破损面积以及路面破损深度至少其一。

后端管理平台12例如是电脑、服务器或其它中心管理设备。处理电路106可经由有线或无线网络将通知信息IM提供至后端管理平台12。举例来说，处理电路106可先将通知信息IM发送至网络接口(未示出)，再利用网络接口经由互联网或其他网络送至后端管理平台12。后端管理平台12可根据路面质量检测装置100回报的通知信息IM产生一道路修缮维护数据，以提供对一或多个特定路段进行修缮或维护的指示，例如通知相关人员前往修复道路。在一实施例中，后端管理平台12可包含在路面质量检测系统10当中，以作为路面质量检测系统10的一部分。

图2示出依照本发明一实施例的路面质量检测方法的流程图。所述的路面质量检测方法可例如由路面质量检测装置100或其他包含处理电路106的电子装置来实施。

在步骤202，处理电路106自震动传感器102_1～102_M选取M笔震动传感波形数据S1～SM。震动传感波形数据S1～SM分别对应至M个路边固定装置的位置。进一步说，由于震动传感器102_1～102_M分别装设在不同位置的路边固定装置，故若一震动传感器感测到震动，其发出的震动传感波形数据即对应于该震动传感器所装设的路边固定装置的位置。

在步骤204，处理电路106自各M笔震动传感波形数据S1～SM识别连续性波形特征。所谓连续性波形特征系指在路面平整/无破损的情况下，当一移动载具(如车辆)从远处驶近一震动传感器的传感范围到驶离该震动传感器的传感范围的过程中，该震动传感器响应此一路面震动事件所产生的震动传感波形数据的波形特征。根据上述特性，连续性波形特征通常呈现为一平滑的突波。此外，对于设置于同一路段不同位置的多个震动传感器而言，若该路段为平整或无破损，当一移动载具驶过该路段，该些震动传感器所产生的震动传感波形数据的连续性波形特征统计上应大致相同。

在步骤206，处理电路106根据M笔震动传感波形数据S1～SM的连续性波形特征以及M个路边固定装置位置，识别路面破损状况。

在一实施例中，处理电路106可根据M笔震动传感波形数据S1～SM的连续性波形特征的统计参数(如平均值、标准差等)，自该些震动传感波形数据S1～SM中识别异常突波特征。举例来说，若一笔震动传感波形数据中的一突波波形明显背离连续性波形特征，例如超出该等连续性波形特征的平均值的一倍标准差，则该突波波形将被视为异常突波特征。异常突波特征通常可视为因移动载具驶过不平整/破损路面所导致的路面震动事件，故处理电路106可通过识别异常突波特征来判断路面是否有破损。此外，处理电路106更可基于识别出的异常突波特征，运算取得路面破损位置、路面破损面积以及路面破损深度等路面破损状况。

在步骤208，处理电路106响应于识别出异常突波特征，发送用以指示路面破损状况的通知信息IM，例如将通知信息IM发送至后端管理平台12。

图3示出实施于一路段的多个路边固定装置的路面质量检测系统10的示意图。在图3的范例中，路边固定装置系路灯装置34_1～34_M，但本发明并不限于此。另外，为方便理解本发明，以下附图中相同或类似的元件采相同的元件符号。

如图3所示，震动传感器102_1～102_M分别装设在路灯装置34_1～34_M的底座以尽可能接近地面。在一实施例中，可规划M大于等于3，以提升判断路面破损的精准度。

路面质量检测装置100可装设于路灯装置34_1～34_M的其中之一。如图3所示，路面质量检测装置100系装设于第2根路灯装置34_2的灯罩处。可理解的是，路面质量检测装置100可装设于路边固定装置的任一位置，只要可与震动传感器102_1～102_M形成通信连接即可。

路灯装置34_1～34_M由左至右以一定间隔分别设置于路边的位置P1～PM，但并不以此为限，在其他实施方式中，路灯装置可以非等间隔设置于路边的位置。当车辆30由左至右行驶于路面，震动传感器102_1～102_M将产生如图4所示的震动传感波形数据S1～SM。

请参考图4，其示出来自不同震动传感器102_1～102_M的多笔震动波形传感数据S1～SM的波形图。如图4所示，当车辆30由左至右依序驶过震动传感器102_1～102_M所在的位置P1～PM，将分别使震动波形传感数据S1～SM产生突波，该些突波最大值的发生时间分别为t1～tM。

当车辆30经过震动传感器102_1、102_2的位置P1、P2时，由于路面无损，故震动波形传感数据S1以及S2具有连续性波形特征NF，也就是平滑变化的突波。

当车辆驶过震动传感器102_3的位置P3时，由于路面具有一破损处32，故震动传感器102_3的震动波形传感数据S3具有明显背离连续性波形特征NF的异常波形特征AF。异常波形特征AF的发生时间约在tx。

在一实施例中，处理电路106可根据震动传感波形数据S1～SM中至少二者所对应的连续性波形特征的发生时间、以及该至少二笔震动传感波形数据所对应的路边固定装置位置、以及异常突波特征AF的发生时间，运算取得路面破损位置。以图3为例，路面破损位置Px可以表示如下：

其中表示车辆30的车速估计值，tx-t3表示车辆30从位置P3至PX的时间差。

根据式一，系假设车辆30从位置P2至P3的车速约等于车辆30从位置P3至PX的车速。不过本发明并不以上述范例为限。在其他实施例中，亦可以其他路边固定装置位置作为参考点来估计车辆30的车速，并根据估计的车速、选定的路边固定装置位置、以及异常突波特征AF的发生时间，基于运动学定律估计路面破损位置。

在一实施例中，处理电路106可利用异常突波特征AF的波形曲线下面积/延续时间(如图4中的期间tx±δ)与路面破损面积呈正比或正相关的关系，据以估计路面破损面积，如破损处32的面积。举例来说，假设两个路灯装置间的距离为D，且路面破损处的长度为L(其中L的方向定义为车辆行进方向，且L值的大小与路面破损处的面积呈正相关)，当车辆的行进速度为v，则车辆行经该路面破损处造成的异常突波大于标准值的时间为t1＝L/v。其中时间t1的值越大，表示路面破损处的长度L越长，此通常也代表路面破损处的面积越大。假设车辆以一固定速度(可以是任意值)通过两个路灯装置，不同的速度值所对应的t1值可能会不一样，但仍可基于比例关系估算出路面破损处的长度，例如根据运算式v＝D/t，其中参数t表示车辆通过两个路灯装置的时间，其可通过测量取得。

在一实施例中，处理电路106亦可利用异常突波特征AF的振幅大小与路面破损深度呈正比或正相关的关系，据以估计路面破损深度，如破损处32的破损深度。进一步说，若一路面破损处的破损深度越深，车辆驶过该破损处而造成轮胎撞击坑洞的力量将越大，故测得的异常突波特征的振幅就会越大。因此，可根据异常突波特征的振幅大小估计路面破损深度。

在一实施例中，为了确保对异常突波特征AF判定的可靠度，处理电路106可计数在一段期间内自震动传感波形数据S1～SM中识别出异常突波特征AF的累积次数(例如先后有多辆车驶过破损处32而导致多次检测出异常突波特征AF产生)，并且在该累积次数超过一门槛值时(例如大于5次)，再发送用以指示路面破损状况的通知信息IM至后端管理平台12。

图5示出依照本发明一实施例自多笔震动波形传感数据识别异常突波特征的判断流程图。此范例的判断流程可例如由路面质量检测装置100或其他包含处理电路106的电子设备来实施。应注意的是，图5的判断流程并非用以限制本发明，路面质量检测装置100或其他包含处理电路106的电子设备亦可根据其他波形特征检测演算法自多笔震动波形传感数据中识别异常突波特征。

如图5所示，步骤502中处理电路106将平移M笔震动传感波形数据的时间轴，使该些震动传感波形数据的连续性波形特征重叠。步骤504中处理电路106计算平移后的该些震动传感波形数据的统计参数(例如平均值以及标准差)。步骤506中处理电路106根据计算出的统计参数(例如平均值以及标准差)定义一容忍区间。步骤508中处理电路106搜寻各笔震动传感波形数据中超出容忍区间的波形部分，以识别异常突波特征。

请参考图6A至图6D，其示出根据图5的判断流程识别异常突波特征的示意图。

图6A示出若路面是平整或无破损的情况，车辆驶于该路面而依序经过安装震动传感器102_i～102_i+3的第i～i+3个路边固定装置的位置时，其中震动传感器102_i～102_i+3例如是图1中震动传感器102_1～102_M的其中4个震动传感器。

震动传感器102_i～102_i+3可分别产生震动传感波形数据Si～Si+3。如图6A所示，震动传感波形数据Si～Si+3依序呈现平滑的连续性波形特征NF。

图6B示出若一破损处位于第i个以及第i+1个路边固定装置之间，车辆驶于该路面而依序经过安装震动传感器102_i～102_i+3的第i～i+3个路边固定装置的位置时，震动传感器102_i～102_i+3分别产生震动传感波形数据Si～Si+3。如图6B所示，震动传感波形数据Si+1具有不平滑的异常突波。

为了识别出上述存在于震动传感波形数据Si+1的异常突波，处理电路106可先平移震动传感波形数据Si～Si+3的时间轴，使该些震动传感波形数据Si～Si+3的连续性波形特征在时间上重叠，如图6C所示。

接着，处理电路106可根据平移后的震动传感波形数据Si～Si+3计算平均值以及标准差。平均值指的是平移后的多个震动传感波形数据在同一时间点的数据值的平均。标准差则是用以描述一数据点背离所述平均值的程度。

根据取得的平均值以及标准差，可设定一容忍区间。如图6D所示，平移后的震动传感波形数据Si～Si+3的平均值为AVG，以平均值AVG与一倍标准差的距离可定义出容忍区间的上限Max与下线Min。在定义出容忍区间的范围后，超出此一容忍区间(由上限Max与下线Min所围出的区间)的波形部分将被识别为异常波形特征AF。此外，此一超出容忍区间的波形部分亦对应于路面破损处的深度、大小及位置。

上述范例中的容忍区间是以平均值AVG与一倍标准差的距离来定义，但应知本发明并不以此为限。在一实施例中，容忍区间是以平均值AVG与N倍标准差的距离来定义。其中N的大小取决于对路面平整度的要求。举例来说，对于路面平整度较严格的路段(例如高速公路)，N可以设定为小于1，例如0.8。

图7示出实施于多路段的路面质量检测系统的示意图。在图7的范例中，路面质量检测系统可包括对应不同路段的多个路面检测装置100、100’以及多个震动传感器102_1～102_M、102_1’～102_N’，其中M和N为大于1的正整数。

如图7所示，路面检测装置100可根据来自震动传感器102_1～102_M的震动传感波形数据S1～SM检测左半路段的路面质量，并将关于破损处32的路面破损状况的通知信息IM回传至后端管理平台12。路面检测装置100’则可根据来自震动传感器102_1’～102_N’的震动传感波形数据S1’～SN’检测右半路段的路面质量，并将关于破损处72的路面破损状况的通知信息IM’回传至后端管理平台12。通过上述范例的布署，可实现对于不同路段的路面质量的分散检测，并集中管理不同路段的路面破损状况。

虽然图7中的路面质量检测系统仅包括2组路面检测装置及对应的多个震动传感器，但应理解本发明并不以此为限。本发明的路面质量检测系统亦可包括任意组数的路面检测装置及对应的多个震动传感器，以针对不同路段的路面质量进行检测。此外，后端管理平台12的数量不仅限于单一个，亦可为多个，其中每个后端管理平台系可和一或多个路面检测装置通信连接，以接收关于不同路段的路面破损情况的通知信息，其中通知信息IM例如包括位置信息，以供后端管理平台识别哪一个路段路面有破损。位置信息例如包括路灯装置的识别码(例如唯一灯杆号)、及/或路灯装置的全球定位系统(global positioning system，GPS)座标。

图8示出震动传感器800的一例方块图。震动传感器800可作为，但不限于，前述实施例中提到的震动传感器，例如震动传感器102_1～102_M以及102_1’～102_N’。

震动传感器800包括无线传输模块802、传感模块804以及电源供应模块806。无线传输模块802可包括天线以及蓝牙处理芯片。在一些范例中，除了蓝牙处理芯片，无线传输模块802亦可采用其他适用于低功耗/短距离无线传输的处理芯片。传感模块804可包括加速度传感元件、速度传感元件、位移传感元件或其组合，负责将感测到的路面震动事件转换成电子信号并提供至无线传输模块802作初步信号处理并发送。电源供应模块806负责提供震动传感器800中各个模块的所需电源，例如对无线传输模块802以及传感模块804进行供电。电源供应模块806的电力来源可以是内建的电池，亦可来自外部电源。举例来说，若震动传感器800系安装于路灯装置的底座，电源供应模块806亦可和路灯装置共同使用同一个供电网络。

图9示出与智能路灯控制器整合的路面质量检测装置900的一示例方块图。路面质量检测装置900适于装设在一路灯装置(如智能路灯网络中的一智能路灯节点)。

路面质量检测装置900包括第一硬件元件集合902以及第二硬件元件集合904。第一硬件元件集合902包括存储器906、第一无线传输模块908以及第一处理模块910。第二硬件元件集合904包括第二无线传输模块912、第二处理模块914以及电源供应模块916。

存储器906可例如为图1的存储器104，用以储存可供第一处理模块910执行或取得的程序、文件或数据。第一无线传输模块908以及第一处理模块910可例如为图1的处理电路106，其中第一无线传输模块908可包括通信芯片(例如蓝牙或其他通信芯片)以及天线，第一处理模块910可例如为微控制单元(microcontroller)、微处理器(microprocessor)、数字信号处理器(digital signal processor)、专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)、数字逻辑电路、现场可编程逻辑门阵列(field programmable gate array，FPGA)、或其它具有运算处理功能的硬件元件。

第一无线传输模块908可自多个装设于路灯装置的底座的震动传感器(未示于本图)选取可反映路面震动事件的多笔震动传感波形数据，并将其提供给第一处理模块910作运算，以判断路面是否发生破损，以及破损相关情况。

第二无线传输模块912可包括通信芯片(例如ZigBee或其它类型的无线通信芯片)以及天线。第二处理模块914例如是智能路灯控制器，用以负责智能路灯装置的照明控制。电源供应模块916例如是智能路灯装置的供电器，可提供路面质量检测装置900中第一硬件元件集合902以及第二硬件元件集合904的所需电力。

第一处理模块910可通过第二处理模块914将指示路面破损情况的通知信息提供至第二无线传输模块912，以通过第二无线传输模块912以无线方式将通知信息发送给后端管理平台12。又一实施例中，第一处理模块910可直接与第二无线传输模块912连接，以直接将通知信息提供至第二无线传输模块912，并通过第二无线传输模块912发送通知信息至后端管理平台12。

上述中虽以路面质量检测装置900与智能路灯控制器作整合为范例，但应理解本发明不以此为限。本发明实施例的路面质量检测装置可以独立或与路边固定装置之内建控制器/处理器整合的方式来实现。

综上所述，本发明提出的路面质量检测方法、装置及系统，可根据安装于路边固定装置(如路灯、分隔柱、护栏等设施)的震动传感器所选取的震动传感波形数据，判断路面是否发生破损并识别路面破损情况，并将路面破损情况通知后端管理平台，以作为道路破损报修和维护的参考数据，藉此降低路面质量检测所需的成本。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。